摘要：探討了廉價(jià)太陽(yáng)能級(jí)硅材料對(duì)電池性能可能的影響，據(jù)此對(duì)激光刻槽埋柵電池的工藝加以 優(yōu)化.在此基礎(chǔ)上制作的大面積太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 16.59% 。(本文乃11年資料，目前用此法在實(shí)驗(yàn)室制備的單晶硅電池效率已超 25%多晶硅電池效率已超 20.3%。)
激光刻槽埋柵太陽(yáng)電池 (BCSC) 的概念提出于80 年代由于其光電轉(zhuǎn)換效率高、工藝相對(duì) 簡(jiǎn)單、適于規(guī)模生產(chǎn)，兼具高效和低成本兩方面的優(yōu)勢(shì)，因而在實(shí)驗(yàn)室和產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域中都受到廣 泛重視.目前，大規(guī)模生產(chǎn)的激光刻槽埋柵電池其單位功率成本已接近甚至低于常規(guī)絲網(wǎng)印刷電 池，并且由于其高效率而特別坐到某些特味領(lǐng)域的青睞.對(duì)刻槽電池的成本分析表明，即使在 總成本中包含了封裝成本的情況下，硅片成本依然占總成本的 1/3 。因而，降低硅片成本，采 用廉價(jià)的太陽(yáng)能級(jí)硅替代半導(dǎo)體級(jí)硅，對(duì)提高刻槽電池的競(jìng)爭(zhēng)力具有十分重要的意義。
太陽(yáng)能級(jí)硅與半導(dǎo)體級(jí)硅，特別是區(qū)熔硅的重要區(qū)別在于其含有較多的碳、氧及金屬雜質(zhì). 在電池制作過(guò)程中要充分考慮這些因素，針對(duì)雜質(zhì)含量的不同，采用適當(dāng)?shù)?、有別于區(qū)熔硅的工 藝.然而，由于至今對(duì)太陽(yáng)能級(jí)硅的質(zhì)量沒(méi)有一個(gè)明確的界定，不同來(lái)源的硅片雜質(zhì)含量千差萬(wàn) 別，造成了太陽(yáng)能級(jí)硅電池工藝研究的復(fù)雜性。
1.硅中氧、碳及金屬雜質(zhì)的物理行為
太陽(yáng)能級(jí)硅比區(qū)熔硅含有更多的氧雜質(zhì).這些氧雜質(zhì)在經(jīng)過(guò)不同的高溫過(guò)程后，扮演不同的角色，對(duì)電池性能產(chǎn)生不同的影響.例如，450度的熱處理會(huì)形成熱施主.氧含量 2x 1018 cm-3 的硅經(jīng) 450度 ， lO min 熱處理，可形成 6.8 X 1014 cm-3 的氧施主. 750度的熱處理會(huì)形成新施主，而且，新施主一旦出現(xiàn)，就很難消除.熱施主和新施主可以改變材料的載流子濃度;更重要的是，可以作為復(fù)合中心增加體復(fù)合，降低少子壽命，直接影響電池性能.氧雜質(zhì)在650度左右可以形成氧沉淀.氧沉淀實(shí)質(zhì)上是氧與硅反應(yīng)產(chǎn)生的 SiO，(主要是 Si02) 沉淀.在 950-l000℃這些氧沉淀還可以長(zhǎng)大，甚至形成層錯(cuò).盡管氧沉淀通常是非電活性的.但它可以誘生缺陷，與一些金屬雜質(zhì)一起，形成復(fù)合中心.
太陽(yáng)能級(jí)硅中也含有較多的碳雜質(zhì).碳在硅中不是電活性的，但它的影響亦不容忽視.如碳的分布可以影響金屬雜質(zhì)的分布i 富碳的單晶硅在高溫、長(zhǎng)時(shí)間工藝后，會(huì)誘生缺陷;碳可以成為氧沉淀的成核中心，促進(jìn)氧沉捷生長(zhǎng)等等.
硅中的金屬雜質(zhì)，特別是能級(jí)靠近禁帶中心的金屬雜質(zhì)，是有效的復(fù)合中心，對(duì)太陽(yáng)電池的性能有致命的影響.
太陽(yáng)能級(jí)硅中含量較多的雜質(zhì)、缺陷決定了其電池制作工藝必須與高效電池常規(guī)工藝有所差別.例如，常規(guī)工藝中的吸雜過(guò)程(如磷吸雜、鋁背場(chǎng)吸雜)可以將電池中大部分金屬雜質(zhì)吸除，改善材料品質(zhì)和電池性能.但對(duì)于太陽(yáng)能級(jí)硅而言，高溫過(guò)程可能促進(jìn)材料中熱生長(zhǎng)缺陷(主要是氧沉淀)的形成，這時(shí)，大部分金屬雜質(zhì)可能不被吸除反而與這些缺陷結(jié)合形成復(fù)合中心.有文獻(xiàn)研究了磷吸雜的作用，發(fā)現(xiàn)當(dāng)硅中含有較多氧時(shí)，磷吸雜不僅不提高少子壽命，反而使其有所下降.我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，高溫、長(zhǎng)時(shí)間的鋁燒結(jié)對(duì)某些太陽(yáng)能級(jí)硅起不到應(yīng)有的作用，反而有明顯的負(fù)面影響.
2.實(shí)驗(yàn)
材料的選取：我們選擇了 4 種不同來(lái)源的 P 型(100)晶向太陽(yáng)能級(jí)硅片作為襯底。
工藝過(guò)程：工藝步驟依次為:硅片清洗→絨面制備→擴(kuò)散制結(jié)→氧化→激光刻槽→去除槽內(nèi)氧化物→槽內(nèi)重?cái)U(kuò)散→背面蒸鋁→燒結(jié)→電極制作→去邊→減薄氧化層。工藝改進(jìn)：電池制作過(guò)程中所有的高溫過(guò)程都在820度以上進(jìn)行。為盡量避免氧熱施主和新施主的產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)中特別注意了升，降溫過(guò)程的影響，在盡量避免熱應(yīng)力缺陷產(chǎn)生的前提下，減少硅片入爐(自爐口至恒溫區(qū))，出爐時(shí)間，縮短在爐口預(yù)熱降溫時(shí)間，以快速通過(guò)產(chǎn)生熱施 主和新施主的溫度范圍 減少其不良影響.實(shí)驗(yàn)中特別研究了鋁背場(chǎng)燒結(jié)條件對(duì)電池性能的影響，得到了下表所示結(jié)果。
可以看到，經(jīng)高溫，長(zhǎng)時(shí)間燒結(jié)的電池比經(jīng)低溫短時(shí)間燒結(jié)的電池其填充因子Ff都有明顯提高。說(shuō)明這一燒結(jié)過(guò)程對(duì)改善歐姆接觸有良好的作用。然而，對(duì)采用A,B,C3種來(lái)源硅材料的電池來(lái)說(shuō)，這以過(guò)程明顯降低了短路電流，開(kāi)羅電壓而且抵消了Ff的增益，使轉(zhuǎn)換效率明顯下降。而對(duì)D材料則完全不同，長(zhǎng)時(shí)間的高溫?zé)Y(jié)使3 個(gè)指標(biāo)都有所改善，明顯提高了轉(zhuǎn)換效率。
為探求產(chǎn)生明顯差異的原因，我們利用紅外吸收譜對(duì)4種樣品的氧，碳原子數(shù)密度分別作了測(cè)定。如下表。
從表中可看出，D材料與前3種材料的碳，氧含量無(wú)大的差別。因而，導(dǎo)致前述差異的原因可以排除氧，碳雜質(zhì)含量的不同?？赡艿脑蚴茿,B,C3種材料中金屬雜質(zhì)含量較多，高溫過(guò)程促進(jìn)了金屬雜質(zhì)與氧、碳沉淀的結(jié)合，使原本"潔凈"的沉淀成為有效的復(fù)合中 心，從而使高溫吸雜達(dá)不到其應(yīng)有的目的.另外，這一差異也可能是材料中不同生長(zhǎng)缺陷在高溫過(guò)程中發(fā)生不同演化造成的.
上述事實(shí)說(shuō)明，由于太陽(yáng)能級(jí)硅材料質(zhì)量差別非常大，相同的工藝對(duì)不同材質(zhì)的電池可能得到截然相反的結(jié)果.因而在電池制作過(guò)程中，必須針對(duì)不同的材料，尋求不同的優(yōu)化工藝條件。
3.結(jié)果及討論
在優(yōu)化工藝的基礎(chǔ)上，我們以太陽(yáng)能級(jí)硅材料得到了轉(zhuǎn)換效率為 16.59% (VOC=624.1 mV，JSC=35.24 mA/cm2 Ff =0.7544)的大面積(25.25cm2 ) 太陽(yáng)電池，其一致性、重復(fù)性較好.下表比較了采用不同材料的電池性能。
可以看到，采用太陽(yáng)能級(jí)硅的電池，其開(kāi)路電壓和短路電流基本與采用半導(dǎo)體級(jí)直拉單晶的電池相當(dāng)。填充因子的差異相差部分是由于材料電阻率不同引起的。這一結(jié)果顯示，工藝的改進(jìn)至少可以部分彌補(bǔ)材料質(zhì)量帶來(lái)的不利影響。同時(shí)，考慮到常規(guī)絲網(wǎng)印刷電池的效率為12%-14%。太陽(yáng)能級(jí)硅BCSC的效率要高出20%-40%。顯示了其巨大的市場(chǎng)潛力。
高效電池的產(chǎn)業(yè)化是光伏界面臨的一個(gè)重要課題。包括對(duì)低成本材料的研究，適應(yīng)產(chǎn)業(yè)化要求的低成本工藝的研究等?？梢韵嘁?jiàn)，擁有高效電池特點(diǎn)的太陽(yáng)電池必然具有良好的應(yīng)用前景。
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